Post on 30-Nov-2015
transcript
PRAKTIKUM IN ALLGEMEINER CHEMIE
anorganische und analytische Chemie
H. Schnberg
Auf der Grundlage von Praktikum in allgemeiner Chemie
nach G. Anderegg, R. Naegeli und T. F. Fssler
Laboratorium fr anorganische Chemie ETH ZRICH
2013
VORWORT
Das Praktikum in allgemeiner Chemie soll den Studierenden mit einfachen
experimentellen Arbeiten im Laboratorium vertraut machen. Dabei sollen erste
Erfahrungen mit dem Reaktionsverhalten von Stoffen gemacht werden. Neben einer
Reihe von quantitativen Versuchen vermitteln qualitative Versuche Kenntnisse ber
die chemischen Eigenschaften von Substanzen. Die Gliederung des Praktikums soll
fundamentale Prinzipien verdeutlichen. Gleichzeitig sind die einzelnen Versuche so
ausgewhlt, dass ein mglichst vielfltiger berblick ber Substanzklassen und
Phnomene der Chemie erhalten wird. Es wurde auch versucht, nach Mglichkeit
Beispiele von aktuellem Interesse heranzuziehen.
Diese Anleitung beruht auf der Praktikumsanleitung Praktikum in allgemeiner
Chemie von G. Anderegg und R. Naegeli (1987) berarbeitet von T. F. Fssler
(1995). Die Versuche wurden neu zusammengestellt und im Wesentlichen durch
einen vorangestellten qualitativen analytischen Teil ergnzt. Damit sollen
Kenntnisse ber die Eigenschaften von Stoffen als wesentliche Grundlage fr das
synthetische Arbeiten erlangt werden.
Viele chemische Substanzen und Verbindungen sind potentiell gefhrlich. Von den
Studenten wird deshalb viel Selbstdisziplin gefordert; durch ein striktes Befolgen der
angegebenen Arbeitsvorschriften knnen mgliche Gefahren gebannt werden. Der
angehende Chemiker soll rasch eine Arbeitsweise erlernen, die es auch erlaubt, mit
unbekannten Substanzen umzugehen.
Die Versuche wurden unter dem Aspekt einer umweltgerechten Entsorgung der
Abflle und, sofern mglich, der Chemikalienrckgewinnung zusammengestellt. In
einem Versuch ist ein wesentlicher Bestandteil das Recycling der eingesetzten
Substanzen. Der qualitativ analytische Teil verzichtet auf die Verwendung einer
Reihe von hoch giftigen Reagenzien (R. Kissner).
Das Praktikum liefert Anschauungsmaterial zu den Chemievorlesungen, whrend
die Vorlesungen die Theorie und die Prinzipien zu denen im Praktikum
beobachteten Phnomenen erklrt und vertieft.
Am Anfang jedes Kapitels soll eine kleine Einfhrung in die Theorie, die nur als
Ergnzung zur Vorlesung zu betrachten ist, das Verstndnis fr die Versuche
erleichtern. Es sei auch auf die Literaturzitate in dieser Anleitung hingewiesen.
Die Versuche sind im Allgemeinen leicht abgenderte Standardversuche aus der
Literatur. Es sei deshalb darauf hingewiesen, dass das Studium der Literatur
zustzliche Informationen liefert und den Lernerfolg begnstigt.
Zrich, August 2000
H. Schnberg
1
INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS .............................................................................................1 I ALLGEMEINES .........................................................................................................4
1. SICHERHEITSVORKEHRUNGEN UND TOXIKOLOGIE ..................................................... 4 1.1 Verhalten im Labor ........................................................................................ 4 1.2 Krperschutzmittel ......................................................................................... 4 1.3 Chemikalien ................................................................................................... 5 1.4 Handhabung von Glas und Glasapparaturen ................................................ 6 1.5 Gasflaschen .................................................................................................. 7 1.6 Glasschliffe .................................................................................................... 7 1.7 Heizen ........................................................................................................... 8 1.8 Elektrische Apparate ..................................................................................... 9 1.9 Brandschutz .................................................................................................. 9 1.10 Medien ......................................................................................................... 9 1.11 Kapellen .................................................................................................... 10 1.12 Verhalten bei Unfllen ............................................................................... 10
2. DEFINITIONEN EINIGER GEBRUCHLICHER TOXIKOLOGISCHER BEGRIFFE .................. 11 3. PRAKTIKUMSPENSUM, LEISTUNGSANFORDERUNGEN ............................................... 13
3.1 Versuchsablaufplan (Orientierung) .............................................................. 15 3.2 Anfertigung des Laborjournals ..................................................................... 16 3.2 Schreiben der Berichte ................................................................................ 20
4. PRAKTIKUMSORGANISATION UND ORDNUNG IM LABOR ............................................ 21 4.1 Belegung der Laborpltze ........................................................................... 21 4.2 Finanzielles ................................................................................................. 21 4.3 Ordnung im Labor........................................................................................ 22 4.4 Semesterende und -anfang ......................................................................... 22
5. DIE PRAKTIKUMSANLEITUNG ................................................................................. 22 6. GRUNDOPERATIONEN: WGEN UND VOLUMENMESSUNGEN ..................................... 24
6.1 Wgen ......................................................................................................... 24 6.2 Volumenmessungen .................................................................................... 24 6.3 Ablesen und Handhabung ........................................................................... 25 6.4 Welche Genauigkeit ist bei Einwaagen erforderlich?................................... 26
7. EXPERIMENTE ..................................................................................................... 27 Versuch I.1: Glaswaren zur Volumenmessung .................................................. 27 Versuch I.2: Wgen definierter Volumina ......................................................... 27 Versuch I.3: Bestimmung der Dichte von Ethanol ............................................. 28
II SURE - BASE REAKTION ................................................................................... 29 1. EINFHRUNG ....................................................................................................... 29 2. THEORIE: BRNSTED-SUREN UND -BASEN ........................................................... 30
2.1 Definitionen nach Brnsted ......................................................................... 30 2.2 Sure-Base-Gleichgewichte ........................................................................ 30 2.3 Der pH-Wert ................................................................................................ 36 2.4 Mehrprotonige Suren ................................................................................. 37 2.5 Farbstoffsuren als pH-Indikatoren .............................................................. 38 2.6 Bestimmung des quivalenzpunktes ........................................................... 39 2.7 Pufferlsungen ............................................................................................ 41 2.8 Spektrophotometrie: Lambert-Beersches Gesetz ....................................... 43 2.9 pH Messung mit pH - Metern .................................................................... 46
2
3. RECHENBEISPIELE ............................................................................................... 50 3.1 Berechnen von Konzentrationen und pH-Werten in Lsung ........................ 51 3.2 Beispiele fr Konzentrations- und pH-Berechnungen .................................. 54
4. EXPERIMENTE ..................................................................................................... 60 Versuch II.1: Charakterisierung von Suren ...................................................... 60 Versuch II.2: Massanalyse - Bestimmung der Konzentration einer Salzsure; Vergleich von pH-Meter und Indikator ............................................................... 62 Versuch II.3: Die Titration einer schwachen Sure mit einer starken Base: Bestimmung der Surekonzentration von Essigsure ....................................... 64 Versuch II.4: Identifizierung einer unbekannten organischen Sure ................. 66 Versuch II.5: Puffervermgen ............................................................................ 72
III FLLUNGSREAKTIONEN .................................................................................... 74 1. EINFHRUNG ....................................................................................................... 74 2. THEORIE: FLLUNGSREAKTIONEN ......................................................................... 74
2.1 Lslichkeitsprodukt ...................................................................................... 74 2.2 Potentiometrische Titration von Halogeniden mit Ag+.................................. 78 2.3 Leitfhigkeit ................................................................................................. 81 2.4 Konduktometrische Titration ........................................................................ 83
3. EXPERIMENTE ..................................................................................................... 85 Versuch III.1: Argentometrische Chloridanalyse (Klarpunktstitration, Titration nach Mohr, potentiometrische Titration) ............................................................ 85 Versuch III.2: Gravimetrische Bestimmung des Nickelgehaltes ........................ 91
IV REDOXREAKTIONEN .......................................................................................... 94 1. EINFHRUNG ....................................................................................................... 94 2. THEORIE: REDOXREAKTIONEN .............................................................................. 95
2.1 Oxidationszahlen ......................................................................................... 95 2.2 Reaktionsgleichungen bei Redoxreaktionen ............................................... 97 2.3 Galvanische Zelle und Redoxpotentiale .................................................... 100 2.4 Das Latimer - Diagramm ........................................................................... 108 2.5 Nernstgleichung ........................................................................................ 109 2.6 Anwendung der galvanischen Zelle ........................................................... 113 2.7 Faraday'sche Gesetze ............................................................................... 116 2.8 Potentiometrische Titration ........................................................................ 119 2.9 Berechnung einer Summenformel ............................................................. 123
3. EXPERIMENTE ................................................................................................... 125 Versuch IV.1: Batterie...................................................................................... 125 Versuch IV.2: Synthese von zwei unbekannten Kobaltkomplexen, Charakterisierung und Identifizierung durch quantitative Analyse ................... 127 Versuch IV.3: Verschiedene Oxidationsstufen von Mangan ............................ 136
V METALLKOMPLEXE IN LSUNG: ...................................................................... 138 1. EINFHRUNG ..................................................................................................... 138 2. THEORIE: METALLKOMPLEXE .............................................................................. 139
2.1 Das Konzept der Lewis-Sure ................................................................... 139 2.2 Metallkomplexe ......................................................................................... 139 2.3 Einfhrung in die Ligandenfeldtheorie ....................................................... 142 2.4 Lsen ionischer Verbindungen in Wasser ................................................. 149 2.5 Aqua-, Hydroxo- und Oxo-Komplexe ......................................................... 149 2.6 Ligandaustauschgleichgewichte / Ligandsubstitutionen ............................ 151
3
2.7 Protonenabhngige Ligandaustauschgleichgewichte ................................ 152 2.8 Chelatkomplexe ......................................................................................... 153 2.9 Komplexometrische Titration ..................................................................... 155
3. EXPERIMENTE ................................................................................................... 160 Versuch V.1: Darstellungen von Kupferkomplexen und Liganden-austauschreaktionen ....................................................................................... 160 Versuch V.2: Komplexchemie des Nickels ...................................................... 165 Versuch V.3: Komplexometrische Titration ...................................................... 169
VI QUALITATIVE ANALYSE ................................................................................... 173 1. EINFHRUNG ..................................................................................................... 173 2. VORPROBEN...................................................................................................... 174
2.1 Flammenfrbung ....................................................................................... 175 2.2 Phosphorsalz-, Boraxperle ........................................................................ 178
3. AUFSCHLUSSVERFAHREN ................................................................................... 179 3.1 Lslichkeit .................................................................................................. 179 3.2 Soda-Pottasche Aufschluss ....................................................................... 180 3.3 Saurer Aufschluss ..................................................................................... 180 3.4 Oxidationsschmelzen ................................................................................ 181 3.5 Freiberger Aufschluss ................................................................................ 181
4. QUALITATIVE ANORGANISCHE ANALYSE ............................................................... 182 5. EXPERIMENTE ................................................................................................... 184
Versuch VI.1: Vorversuche zur Ermittlung der Kationen in einem Substanzgemisch ............................................................................................ 184 Versuch VI.2: Aufschluss unlslicher Metallsalze ............................................ 187 Versuch VI.3: Anionenanalyse ........................................................................ 189 Versuch VI.4: Vollstndige qualitative Analyse eines einfachen Substanzgemisches ........................................................................................ 193
ANHANG ................................................................................................................. 213 1. LITERATURVERZEICHNIS ..................................................................................... 213 2. MUSTERPROTOKOLLE ........................................................................................ 214 3. FEHLERRECHNUNG ............................................................................................ 220 4. MUSTER KONTROLLARBEIT ................................................................................. 225 5. PK-WERTE EINIGER SUREN BEI 25C ................................................................ 229 6. PH-INDIKATOREN ............................................................................................... 230 7. STANDARD REDUKTIONSPOTENTIALE ................................................................... 232 8. KOMPLEXBILDUNGSKONSTANTEN ........................................................................ 233 9. LSLICHKEITSPRODUKTE .................................................................................... 234 10. LEITFHIGKEITSDATEN ..................................................................................... 235 11. ABSORPTIONSLINIEN EINIGER KATIONEN ............................................................ 236 12. NATURKONSTANTEN UND UMRECHNUNGSFAKTOREN .......................................... 237 13. NOMENKLATUR IN DER ANORGANISCHEN CHEMIE ............................................... 238 14. PERIODENSYSTEM ........................................................................................... 242
ALLGEMEINES
4
I ALLGEMEINES
1. Sicherheitsvorkehrungen und Toxikologie
1.1 Verhalten im Labor
a) Versuche, die nicht in den Rahmen des Pensums fallen, drfen nur mit spezieller
Bewilligung des/der verantwortlichen Assistenten/in ausgefhrt werden.
b) Niemals alleine oder ohne Aufsicht durch eine Assisistenzperson arbeiten. c) Ebenso ist es nicht gestattet, im Labor Ess- und Trinkwaren aufzubewahren
oder zu konsumieren. d) Das Rauchen im Labor ist untersagt. e) Fluchtwege sind frei zu halten und drfen nicht mit Gegenstnden wie z.B. mit
Sthlen blockiert werden.
f) Der Aufenthalt auf den Fluchtbalkonen ist nicht gestattet.
g) Ventile, Hhne, Schalter oder Trklinken nicht mit Handschuhen anfassen h) Besucher haben nur mit ausdrcklicher Bewilligung des/der zustndigen
Assistenten/in Zutritt zum Laboratorium. Sie sind mit einer Besucherbrille auszustatten und mssen sich an die Sicherheitsregeln verhalten.
i) Radio- und andere Soundgerte drfen nur mit Bewilligung des Oberassistenten betrieben werden und drfen zu keinen Strungen fhren.
j) Offenes Feuer und andere Zndquellen (wie Heizluftgeblse) drfen sich nicht in der unmittelbaren Nhe von brandgefhrdenden Stoffen (organischen
Lsemitteln) befinden.
k) Am Abend sind smtliche Medien (s. unten) abzustellen, die Hocker zu versorgen
und die Waagen abzuschalten und mit der Haube abzudecken.
1.2 Krperschutzmittel
a) Im Laboratorium ist stets eine Schutzbrille zu tragen. b) Es ist nicht erlaubt, ohne Labormantel zu arbeiten. c) Beim Arbeiten mit grsseren Mengen von tzenden Flssigkeiten sind eine
geschlossene Schutzbrille und ein Gesichtsschutzschild zu tragen.
ALLGEMEINES
5
d) Beim Arbeiten mit hautreizenden Stoffen (starke Suren, Basen, kanzerogene
Stoffe, ber die Haut aufnehmbare Chemikalien) sind Schutzhandschuhe zu tragen.
1.3 Chemikalien
a) Jede Chemikalienflasche muss eine Etikette tragen, die im Minimum folgende Angaben enthlt:
- Name der Substanz
- Bruttoformel
- Einflldatum
- Name des Besitzers
Fr die Beschriftung sind nur schwarze Filzstifte oder Kugelschreiber zu
verwenden (andere Stifte werden nach kurzer Zeit unlesbar). Am
Chemikalienschalter sind auch Etiketten mit den jeweiligen Gefahrensymbolen
erhltlich.
b) Zur Aufbewahrung von Chemikalien drfen keine Lebensmittelgefsse benutzt werden.
c) Am Laborplatz sind jeweils die kleinstmglichen Mengen von Chemikalien aufzubewahren.
d) Der Bezug von Giften fr private Zwecke sowie die Weitergabe an Dritte ist strengstens verboten.
e) Der Bezug von Chemikalien ist nur mit einem vom/von der Assistenten/in
unterzeichneten Bestellschein mglich. f) Bevor ein Versuch begonnen wird, hat sich jede/r Student/in sorgfltig ber die
physikalischen Eigenschaften, die Giftigkeit und die gefhrlichen
Reaktionseigenschaften der entsprechenden Chemikalien zu informieren.
g) Chemikalienlsungen drfen nicht mit dem Mund, sondern ausschliesslich mit einer Pipettierhilfe pipettiert werden.
h) Wird ein Stoff in einem offenen Gefss erhitzt, so darf die ffnung nicht gegen
eine Person gerichtet sein.
i) Werden Siedesteine verwendet, ist dafr zu sorgen, dass beim Einwerfen derselben die Temperatur der Flssigkeit noch WEIT unter dem Siedepunkt liegt.
ALLGEMEINES
6
j) Fr die Versuche drfen nur einwandfreie, saubere Gefsse verwendet werden. Insbesondere ist es strikt verboten, fr irgendwelche Reaktionen Gefsse zu
verwenden, die noch Chemikalienrckstnde enthalten.
k) Die Versuche sind jeweils mit der kleinstmglichen Menge durchzufhren. l) Generell drfen keine Chemikalien in den Ausguss gegossen werden. Sie
mssen im bereitgestellten Kanister gesammelt werden. Eine Liste bei den
Kanistern gibt Aufschluss ber die Sortierung. Es drfen niemals smtliche
Chemikalien in denselben Kanister gefllt werden. Die Ausgsse der Labors sind
an die zentrale Neutralisationsanlage angeschlossen. Sie knnen deshalb
verdnnte Suren und Laugen (bis ca. 1 M) aufnehmen, wobei mit gengend
Wasser nachgesplt werden muss.
1.4 Handhabung von Glas und Glasapparaturen
a) Bei jeder Handhabung von Glas und Glasapparaturen, besonders beim Einfhren
von Glasrhren in Gummischluche o.., ist vor allem fr den Schutz der Hnde zu sorgen (Lederhandschuhe oder Stofflappen verwenden).
b) Evakuiert werden drfen nur die speziell dafr vorgesehenen Glaswaren
(Rundkolben und Saugflaschen). Dnnwandige Glasgefsse, besonders Messkolben und Erlenmeyer, drfen nicht evakuiert werden. Vakuumexsikkatoren sind mit Para-Film zu berziehen. Sie drfen nicht im
evakuierten Zustand transportiert werden.
c) Nur dnnwandige Gefsse (Becherglser, Erlenmeyer, Rundkolben und Reagenzglser) drfen erhitzt werden. Die dickwandigen Saugflaschen drfen zwar evakuiert aber nicht erhitzt werden. Sie dienen ausschliesslich zum Filtrieren.
d) Grosse Glasflaschen drfen beim Transport nie am Hals, sondern mssen immer
unten am Boden angefasst werden. Sie drfen nur auf tiefe Regale abgestellt
werden.
e) Glasflaschen sind nie ber 90 Prozent ihres Fassungsvermgens zu fllen.
Um festsitzende Glasstopfen zu vermeiden, empfiehlt es sich, so weit wie mglich
Flaschen mit Schraubverschluss zu verwenden. f) Glasabflle drfen nur in die im Labor eigens dafr vorgesehenen Behlter und
niemals in die Abfallkrbe am Laborplatz geworfen werden (Verletzungsgefahr fr
das Putzpersonal).
ALLGEMEINES
7
g) Fr die Durchfhrung von Synthesen sind grundstzlich die dafr am besten geeigneten Rundkolben zu verwenden.
h) Glasabflle drfen nur in die im Labor eigens dafr vorgesehenen Behlter und niemals in die Abfallkrbe am Laborplatz geworfen werden (Verletzungsgefahr fr
das Putzpersonal).
Im brigen wird auf das entsprechende Merkblatt der Stabsstelle Sicherheit
verwiesen.
1.5 Gasflaschen
a) Bei der Entgegennahme von Gasflaschen ist jeweils zu kontrollieren, ob der
eingestanzte Name des Gases mit der Kennfarbe der Flasche bereinstimmt. Andernfalls ist die Gasflasche zu retournieren.
b) Gasflaschen sind am Laborplatz immer mit einer Kette zu sichern. c) Sie drfen nie vollstndig entleert werden, sondern es ist immer ein berdruck
von mindestens 2 bar zurckzulassen. Leere Gasflaschen sind eindeutig als
solche zu kennzeichnen.
d) Es drfen nur die fr das entsprechende Gas zugelassenen Reduzierventile verwendet werden. Nach Gebrauch ist das Flaschenventil zu schliessen, das
Restgas abzulassen, die Druckregulierschraube zu ffnen und die
Absperrschraube zu schliessen. Bei korrosiven Gasen ist zudem das
Reduzierventil abzuschrauben und mit trockenem Stickstoff zu splen.
e) Die Gasflaschen sind vor Ablauf der Standzeiten an den Schalter
zurckzubringen.
Im brigen wird auf die entsprechende Broschre der Stabsstelle Sicherheit
verwiesen.
1.6 Glasschliffe
Im chemischen Laboratorium werden normierte Kegelschliffe verwendet. Sie werden
mit ihrem grssten Durchmesser bezeichnet (NS 29: Normschliff, 29 mm Durchmesser; NS 14.5: 14.5 mm Durchmesser). Die zustzliche Sicherung einer
Schliffverbindung geschieht durch Schliffklammern:
ALLGEMEINES
8
Voraussetzung fr die Zuverlssigkeit normgerechter Schliffe ist ihre sachgemsse
Behandlung. Die Schliffflchen mssen sorgfltig vor Zerkratzen geschtzt werden
und sollen vor dem Ineinanderstecken mit einem sauberen, weichen Tuch
abgerieben werden. Dann trgt man am weitesten Ende des Kerns einen etwa 5 mm
breiten, hauchdnnen Ring von Schmiermittel (Schliffett) auf und dreht die Schliffe
unter ganz leichtem Druck ineinander.
Verklemmte Schliffe werden durch leichtes Klopfen mit einem Holzstck gelockert oder durch kurzes Erwrmen der Hlse gelst. Bei Anwendung von roher Gewalt besteht Verletzungsgefahr! Die Hnde werden dabei durch ein Tuch
geschtzt.
Anstelle des in vielen organischen Lsemitteln lslichen Schliffettes verwendet man
auch Teflonmanschetten, welche zwischen Kern und Hlse aufliegen. Ihre Verwendung empfiehlt sich u.a. beim Arbeiten mit organischen Lsungsmitteln,
welche das Schliffett herauswaschen. Teflonmanschetten sind aber relativ teuer.
Dnne PTFE-Dichtringe sind im Vergleich zu PTFE-Manschetten eine preiswerte und dichte Alternative.
(Abbildungen mit freundlicher Genehmigung Dr. Dietmar Glindemann)
1.7 Heizen
Fr das Heizen soll grundstzlich immer der heizbare Magnetrhrer mit Heizbad (gefllt mit der ausstehenden, wieder verwendbaren Heizbadflssigkeit (maximal
Temperatur 200C)) verwendet werden. Der Bunsenbrenner (evtl. ber
Assistenten/in ausleihen) soll aus Sicherheitsgrnden (Feuergefahr) nur in
Ausnahmefllen verwendet werden. (Zudem ist dessen Verwendung unbequem, da
ja von Hand gerhrt werden muss!). Wird der Bunsenbrenner trotzdem eingesetzt, so
29 mm
Kegelschliff fr Kern
Normalschliff- verbindung
Schliff- klammer
NS 29
ALLGEMEINES
9
ist darauf zu achten, dass keine brennbaren Substanzen (Lsungsmittel!) in der
Nhe sind.
1.8 Elektrische Apparate
a) Elektrische Apparate sind so aufzustellen, dass sie nicht im Bereich von Spritzwasser liegen.
b) Sie sind stets sauber und frei von korrosiven Substanzen zu halten. Dies gilt besonders fr die Waagen. Nach Gebrauch sind sie sorgfltig zu reinigen (wobei
zuerst der Stecker herausgezogen werden muss).
c) Defekte Apparate sowie solche mit defekten oder korrodierten Kabeln oder Steckern sind unverzglich dem/der Assistenten/in zur Reparatur zu melden.
d) Bei den mit Fehlerstromschutzschaltern ausgersteten Laborpltzen darf der
Strom nicht mit der Prftaste des Schalters ausgeschaltet werden (bermssige
Abntzung des Fehlerstromschutzschalters).
1.9 Brandschutz
a) Jedermann muss die Standorte und die Funktion der Notduschen und der Lscheinrichtungen sowie die Fluchtwege kennen.
b) Die Menge der am Laborplatz aufbewahrten brennbaren Flssigkeiten ist auf ein Minimum zu beschrnken.
c) Soll fr die Aufbewahrung von brennbaren Flssigkeiten ein Khlschrank
verwendet werden, so darf man nur solche bentzen, die zu diesem Zweck
umgebaut wurden.
Im brigen wird auf die Instruktionen, die Anschlge und die sonstigen
Dokumentationen der Dienststelle fr Brandschutz verwiesen.
1.10 Medien
a) Das Gashauptventil darf erst bettigt werden, nachdem man sich vergewissert hat,
dass smtliche angeschlossenen Apparate noch geschlossen sind, resp. schon
geschlossen wurden.
b) Am Abend sind Gas, Wasser, Strom, Pressluft und Vakuum (Membranpumpen) sowie die Kapellenventilation abzustellen.
ALLGEMEINES
10
c) Der Vakuumanschluss darf nur mit vorgeschalteter Gaswaschflasche und mit dafr vorgesehenen Vakuumschluchen betrieben werden
d) Alle Medienventile sind ohne Gewalt (sanft) zu bettigen.
Nachtversuche drfen nur mit Bewilligung des/der Assistenten/in laufen gelassen
werden, wobei smtliche Schluche mit Briden zu sichern sind.
1.11 Kapellen
a) Alle Arbeiten, bei denen giftige, brennbare oder sonst wie gefhrliche resp. bel
riechende Gase, Dmpfe oder Aerosole entstehen oder frei werden knnen, sind
in einer Kapelle auszufhren.
b) Die Apparaturen sind mglichst hinten bei der Kapellenrckwand aufzustellen. c) Eine Kapelle ist kein Freipass fr die Freisetzung von beliebigen Mengen von
Substanzen und Chemikalien. Giftige und korrosive Gase und Dmpfe sind mittels
der in der Literatur beschriebenen Apparaturen an Ort und Stelle zu absorbieren
(da sonst die Umgebung belstigt und verunreinigt wird und teure Schden an der
Ventilationsanlage entstehen knnen).
d) Bei den Kapellen, die mit einem Schalter fr die Wahl der Absaugleistung
ausgestattet sind, darf die hhere Stufe nur whrend der tatschlichen Arbeit
bentzt werden, da sonst grosse und teure Wrmemengen verloren gehen, was
nicht gerade im Sinne des Umweltschutzes liegt.
1.12 Verhalten bei Unfllen
Unflle sind unverzglich dem Praktikumsassistenten zu melden.
Bei Unfllen, die eine rztliche Behandlung erfordern, ist zuerst, sofern es die Lage
gestattet, der/die Assistent/in oder der Verwalter (Herr Kberle, HCI D-Stock - Schalter) zu benachrichtigen. Hilfe kann auch unter Telefon 888 erhalten werden. Nach der rztlichen Behandlung ist eine Unfallmeldung bei der Krankenkasse (HG F63.1-3, Tel. 632 20 66, intern: 22066) auszufllen.
Hinsichtlich Erste-Hilfe-Hinweise, Anforderung von Krankenwagen, Notfallstation
usw. wird auf die entsprechenden Anweisungen auf der Umschlagseite des
Telefonbuches sowie in der grnen Broschre der Stabsstelle Sicherheit verwiesen.
ALLGEMEINES
11
2. Definitionen einiger gebruchlicher toxikologischer Begriffe
All' Ding' ist Gift und nichts ohn' Gift;
Allein die Dosis macht, dass ein Ding kein Gift ist.
Paracelsus (1494 - 1541 )
Die Toxikologie muss also eine Aussage zu den Schwellenkonzentrationen machen.
Diese drfen nicht berschritten werden. Unterhalb der Schwellenkonzentration
durchluft ein Fremdstoff den Organismus ohne eine feststellbare Wirkung zu
hinterlassen. Fr karzinogene (krebsfrdernde) und mutagene (das Erbgut
schdigende) Stoffe knnen allerdings keine Schwellenwerte angegeben werden.
Definition einiger gebruchlicher Schwellenwerte:
MAK-Wert:
Maximale Arbeitsplatzkonzentration: Maximale Konzentration eines gas-, dampf- oder staubfrmigen Arbeitsstoffes in der Luft. Bei einer Arbeitszeit von 8 bis 9
Stunden tglich und bis 45 Stunden pro Woche schdigt der Stoff auch ber lngere
Perioden die Gesundheit nicht. Neben akuter und chronischer Giftigkeit
bercksichtigt dieser Wert auch belstigende Eigenschaften wie Jucken, Allergie und
Geruch.
Die MAK-Werte sind in einer Broschre der SUVA tabelliert, die im Labor ausliegt.
ADI-Werte:
Acceptable Daily Intake: Maximal zulssige lebenslngliche Tagesdosis fr einen Menschen, bezogen auf 1 kg Krpergewicht.
Diese Schwellenwerte sind zustzlich ein Mass fr die chronische Toxizitt.
LD50-Wert:
Dosis Letalis fr 50 Prozent der Versuchstiere: Dosis, die - innerhalb von 24 Stunden verabreicht - bei der Hlfte der Versuchstiere innert 5 Tagen zum Tod fhrt.
Chemikalien werden international nach ihrem Gefhrdungspotential eingestuft und nach dem GHS-System gekennzeichnet. GHS steht als Abkrzung fr "Globally
ALLGEMEINES
12
Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals" und soll weltweit einen besseren Schutz und eine Vereinfachung beim Handel mit Chemikalien
ermglichen. Bei diesem System werden weltweit mit denselben Symbolen
(Piktogrammen), Gefahren- und Sicherheitshinweisen auf Etiketten und mit
Sicherheitsdatenblttern auf Gefahren, die von den jeweiligen Chemikalien
ausgehen, hingewiesen. Siehe auch: http://de.wikipedia.org/wiki/Gefahrensymbol
R- und S-Stze In der EU und der Schweiz werden gefhrliche Chemikalien mit Symbolen und einem
erklrenden Wort wie explosionsgefhrlich, entzndlich, reizend, giftig oder
umweltgefhrlich (Gefahrenbezeichnung) gekennzeichnet
Ergnzend wird die Art der Gefahr mit so genannten R-Stzen (Risikostze) genauer
bezeichnet. Zum Beispiel wird darauf hingewiesen, ob ein Produkt die
Atmungsorgane, die Haut oder die Augen reizt. Man wird auch ber kombinierte
Gefahren aufmerksam gemacht wie beispielsweise mit den R-Stzen R24/25: Giftig
bei Berhrung mit der Haut und beim Verschlucken
Wie sich Gefahren vermeiden lassen und wie im Unglcksfall vorzugehen ist, zeigen
die Sicherheitsratschlge (S-Stze): Sie weisen beispielsweise darauf hin, ob ein
Produkt vor Hitze zu schtzen ist oder nicht in die Hnde von Kindern gelangen
darf. Oder sie empfehlen: Bei Berhrung mit den Augen sofort mit Wasser absplen
und Arzt konsultieren. Diese Ratschlge sind unbedingt zu befolgen.
Die Kodierung der R- und S-Stze lsst sich leicht aus Chemikalienkatalogen oder
auf der Homepage fr das Bundesamt fr Gesundheit entnehmen.
Weitere wichtige Richtlinien und Informationen zum Arbeiten im Labor entnehmen
Sie bitte dem Sicherheits- und Entsorgungshandbuch der ETH auf der Internetseite:
http://www.sicherheit.ethz.ch/docs/health_docs/safety_manual.pdf
Speziell fr das HCI-Gebude gelten das Sicherheitshandbuch und die
Laborordnung des HCI:
http://www.chab.ethz.ch/siko/sicherheitsandbuch.pdf
http://www.chab.ethz.ch/siko/laborordnung.pdf
ALLGEMEINES
13
3. Praktikumspensum, Leistungsanforderungen Das Praktikum besteht aus zwei Teilen, dem anorganisch-chemischen und dem
physikalisch-chemischen Praktikumsteil.
Das Praktikum gilt als bestanden, wenn beide Teile des Praktikums fr sich
bestanden sind. Ist ein Teil des Praktikums nicht bestanden, so gilt das gesamte
Praktikum als nicht bestanden.
Ein nicht bestandenes Praktikum ist in beiden Teilen zu wiederholen. Im anorganisch-chemischen Teil (Inhalt dieser Praktikumsanleitung) des Praktikums wird erwartet, dass der/die Student/in im Laufe des ersten Studienjahres smtliche Versuche dieser Praktikumsanleitung selbst durchfhrt. In der Regel arbeiten die Studenten alleine, nur in Ausnahmefllen werden Versuche nach Absprache mit dem/der Assistenten/in in Zweiergruppen durchgefhrt. Zu Beginn jeder
Versuchseinheit findet eine Vorbesprechung unter Leitung der jeweiligen Gruppenassistenten statt. Jede/r Student/in muss vor Beginn der
Versuchsdurchfhrung in der Lage sein, den Versuch zu skizzieren und zu erlutern.
Whrend der Vorbesprechung kann das Verstndnis durch den/die
Gruppenassistent/in geprft werden. Nach jeder Versuchseinheit sollen die
Versuchsergebnisse der Studenten/innen innerhalb der Gruppe gemeinschaftlich
ausgewertet und etwaige Probleme diskutiert werden.
Dieses Praktikum hat eine offene Form. Das heisst, alle Studenten haben die Praktikumsaufgaben zu erfllen. Dazu stehen Ihnen die Praktikumszeiten zur
Verfgung. Aus Sicherheitsgrnden muss sich jeder Student zur Laborarbeit bei seinem jeweiligen Assistenten an- und abmelden. Bei wegen WK oder Krankheit nicht durchgefhrten Versuchen mssen die Berichte nur die Gleichungen beinhalten, es werden keine Messdaten verlangt. Es muss eine
Kurzbeschreibung des Versuches abgeben werden.
Bei Abwesenheit von mehr als einer Woche (Krankheit, WK) und eine daraus resultierende Einschrnkung in der Erbringung der Praktikumsleistungen kann eine Befreiung nur durch Dr. H. Schnberg (Labor HCI H115, Tel.: 22869) erteilt
werden.
Bedingungen zum erfolgreichen Absolvieren des Praktikums sind das erfolgreiche
Durchfhren der Versuche, Abgabe der ausgefllten Auswertebgen bzw. Berichte,
ALLGEMEINES
14
die mndliche Besprechung der Auswertebgen mit dem/der Assistenten/in und
akzeptable Ergebnisse in der am Ende des Praktikums durchgefhrten kleinen
schriftlichen Kontrollarbeit. Richtlinien fr das Schreiben von Berichten, sowie
Musterberichte finden sich im Anhang. Der/die Praktikant/in hat ein Laborjournal zu fhren (Heft A4). Darin werden alle durchgefhrten Versuche protokolliert. Im
speziellen sollen alle Messungen (Wgungen etc.) und Beobachtungen sowie auftauchende Fragen darin festgehalten werden (siehe auch Abschnitt Anfertigung eines Laborjournals). Fr einen Grossteil der Versuche ist ein
Auswerteblatt auszufllen. Dies soll zu einer Zeitersparnis in der Nachbereitung des Praktikumversuches fhren und den Fokus auf eine gute Vorbereitung der Praktikumsinhalte lenken. Gesondert ist ein ausfhrliches Protokoll (Bericht) zu schreiben. Die Auswertebltter und das ausfhrliche Protokoll mssen dem
Assistenten vorgelegt werden, der sie mit Noten 6 -1 bewertet. Diese Note enthlt
ebenfalls eine Bewertung der praktischen Arbeit.
Die Note fr das ausfhrliche Protokoll wird mit 10% an der Gesamtnote des anorganisch-chemischen Teils gewichtet. Der Durchschnitt der Noten der anderen Experimente wird mit 40% an der Gesamtnote des anorganisch-chemischen Teils gewichtet. Protokolle werden nur bis 3 Wochen nach Ende des Praktikums entgegen
genommen. Am Ende des Praktikums findet eine schriftliche Kontrolle zu den Inhalten des Praktikums statt. Grundlage dieser Kontrolle sind die Praktikumsversuche und die
Praktikumsanleitung. Die aus dieser Kontrolle erzielte Note (6-1) wird mit 50% an der Gesamtnote des anorganisch-chemischen Teils gewichtet. Am Ende der Anleitung befindet sich ein Muster einer Kontrollarbeit.
Die aus den gewichteten Anteilen erzielte Note muss mindestens 4 sein um diesen Teil des Praktikums und damit das gesamte Praktikum zu bestehen.
Im physikalisch-chemischer Teil des Praktikums sind fr jedes der drei Experimente
Protokolle anzufertigen, die mit einer Note (6-1) bewertet werden. Der Durchschnitt
aller Noten ergibt eine Gesamtnote, die mindestens 4 sein muss.
Am Ende des Semesters werden allgemeine Aufrumarbeiten gemss Weisung der
Assistenten durchgefhrt. Die Teilnahme daran ist obligatorisch.
ALLGEMEINES
15
3.1 Versuchsablaufplan (Orientierung)
Die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Orientierungszeiten fr die zu
bentigten Zeiten zum Absolvieren der jeweiligen Versuche sind Durchschnittswerte
und sollen beim Planen des Praktikums helfen.
Versuch Versuchsbeschreibung Orientierungszeit
Versuch I.1 Glaswaren zur Volumenmessung 1. Praktikumstag Versuch I.2 Wgen definierter Volumina
Versuch I.3 Bestimmung der Dichte von Ethanol Versuch II.1 Charakterisierung von Suren 0,5 Praktikumstage
Versuch II.2 Massanalyse - Bestimmung der Konzentration einer Salzsure; Vergleich von pH-Meter und Indikator 1 Praktikumstag
Versuch II.3 Die Titration einer schwachen Sure mit einer starken
Base, Bestimmung der Surekonzentration von Essigsure
0,5 Praktikumstage.
Versuch II.4 Identifizierung einer unbekannten organischen Sure 1 Praktikumstag
Versuch II.5 Puffervermgen
ALLGEMEINES
16
3.2 Anfertigung des Laborjournals
Das Laborjournal ist das wichtigste Zeugnis dessen, was im Labor durchgefhrt
wurde. Als solches ist es nicht nur eine Datenquelle fr die Erstellung von Berichten
und Publikationen, sondern es stellt auch einen durchgehend nachgefhrten Beleg
dar, in dem man selbst nach vielen Jahren noch dies und jenes nachschlagen kann.
In der experimentellen Forschung ist es blich, alles Relevante (z.B. Messdaten,
Berechnungen, Bemerkungen, Literaturbersichten, graphische Darstellungen) direkt
in ein gebundenes Heft mit nummerierten Seiten einzutragen. Man verwendet dafr
Spiralhefte, die flach liegen und auf jeder gewnschten Seite offen bleiben. Die
Seiten sollten vorzugsweise kariert sein, damit Tabellen und Skizzen sowie einfache
x-y-Graphiken parallel zur Laborarbeit schnell und einfach gestaltet werden knnen.
Die einzelnen Seiten eines Laborjournals werden nie herausgetrennt; als Beilagen zu
einem Bericht verwendet man Kopien (Kohlepapier-Durchschlge oder Photokopien).
Was fr eine Art Heft auch verwendet wird, das Prinzip ist stets dasselbe: Alle
Eintrge werden immer direkt im Laborjournal festgehalten. bertrgt man Angaben
aus einer anderen Quelle (z.B. Wgebchlein, Kalibrationstabelle) ins Laborjournal,
gibt man diese Quelle explizit an, sodass sich diese Eintrge jederzeit verifizieren
lassen. Niemals aber verwende man Notizzettel!
Eintrge ins Laborjournal macht man am besten mit Kugelschreiber. Bei
notwendigen Korrekturen wird nicht ausradiert, sondern durchgestrichen, so dass der
Originaltext noch erkannt wird. Das Laborjournal wird chronologisch fortlaufend
gefhrt, wobei man jede Seite mit dem aktuellen Datum versieht. Unumgnglich sind
Leserlichkeit, korrekte Beschriftung und eine Vollstndigkeit, die keine Unklarheiten
offen lassen. Selbstverstndlich muss das Laborjournal auf dem Umschlag den
Namen des Besitzers und die Laborbezeichnung enthalten, Adressen,
Telefonnummern und E-Mail-Adressen
vermerkt man auf der inneren Umschlagseite.
Das Laborjournal soll alle Informationen enthalten, die ntig sind, damit jemand
anderer dasselbe Experiment auf dieselbe Weise durchfhren kann. Zustzlich zu
den Messergebnissen und Befunden notiert man alle weiteren Beobachtungen, die
fr die Interpretation der Resultate von Bedeutung sein knnen. aus: D.P. Shoemaker, C.W. Garland, J.W. Nibler, Experiments in Physical Chemistry, 6th ed., McGraw-Hill, New York, 1996. Eintrge im Laborjournal
ALLGEMEINES
17
Was soll ein Laborjournal enthalten?
Im Laborjournal werden Gedanken, Beobachtungen und (alle) Parameter eines
Versuchs protokolliert. Ein Laborjournal ist keine Abschrift einer Versuchsvorschrift
und kann stichpunktartig, muss aber dennoch przise verfasst werden. Folgendes
sollte ein persnliches Laborjournal im Allgemeinen enthalten.
Alle Punkte, die sich auf das hier durchgefhrte Praktikum beziehen und bei dem
einen oder anderem Versuch verwendet werden sollten, sind kursiv formatiert.
Vorbereitung
1. Datum des Versuchs, berschrift, aus der das Ziel bzw. der Inhalt des
Versuches erkenntlich ist, Referenzen zu vorhergehenden Versuchen
Seite oder anderes Laborjournal: z.B. Analyse von Produkt C vom
Seite 74
2. Ziel der Arbeit
Synthese (Reaktionsgleichung), Reinigung, Analyse, Messung,
Literaturexcerpt, Zusammenfassung der bisherigen Erkenntnisse..
3. Referenzen zu externer Literatur
Synthesevorschrift, Analysevorschrift
4. verwendete Hilfsmittel
Messgerte (Gerte allgemein)
Hersteller, Typ, relevante technische Spezifikationen
(Przision, Messgenauigkeit..)
Chemikalien
a) Hersteller
b) Reinheit
c) Physikalische Eigenschaften (siehe auch e, g und h)
d) Menge (Ansatzberechnung)
e) Tox- und Sicherheitsdaten von Edukten und Produkten
f) Toxisch wo (Lunge, Niere..) und wie?
g) Flammpunkt, Zndpunkt
h) Explosionsfhig?
i) Entsorgung von Edukten und Produkten
ALLGEMEINES
18
j) Evtl. ntige Vorsichtsmassnahmen (Arbeit in Kapelle,
Mengenbeschrnkung, Handschuhe (welche?), )
Computerprogramme (nicht-Standard), Computerskripte
Apparatur (eindeutiger Beschrieb oder/und Skizze)
Vorausdenken: Was kann schief laufen und was tue ich, wenn dies
eintritt?
Evtl nochmals in Vorsichtsmassnahmen einfliessen lassen
gengend Zeit einkalkulieren
bei kritischen Schritten lieber nochmals einen Vorversuch
machen
5. Mgliche Fehlerquellen (nach Mglichkeit quantifizieren)
Durchfhrung
1. Beschreibung der Arbeiten (genaues Vorgehen, Beschreibung muss
nachvollziehbar sein)
Einwaagen (evtl. Tabelle vorbereiten: Berechnete Mengen (Masse (g)
und Stoffmenge (mol)), eingewogene Mengen, Molmassen)
Verwendete Lsungsmittel (Menge)
Reaktionsfhrung (Wie schnell wurde zugetropft)
Messparameter (wenn nicht elektronisch abgelegt protokollieren, sonst
Referenz auf File)
Messprotokoll: Tabelle vorbereiten, Platz fr Beobachtungen lassen
(siehe unten), eindeutige Tabelleneintrge, Zahlen nicht durch
berschreiben korrigieren, sondern komplett neu schreiben.
Referenz zu Messfiles, evtl. Backups erstellen!
Abweichungen zum Normalablauf exakt protokollieren (Abweichung in
Messparametern beim NMR, Vernderte Temperatur gegenber
Vorschrift)
2. Beobachtungen: Dies ist einer der wichtigsten Eintrge!
Messungen
z.B.: Referenzmessungen (verwandte, bekannte Substanzen),
Blank Grundlinie, Oszillierende Signale (50 Hz, 100 Hz noise),
Effekte, die chemisch-intuitiv nicht sofort klar sind,
ALLGEMEINES
19
Sttigungsphnomene (physikalische Grenzen der Messung),
Signale, die unabhngig vom Analyt scheinen, etc.
Synthese
Z.B.: Temperaturverlufe (!exotherme Reaktionen!), Inhomogene
Gemische (Lslichkeiten der Edukte) , nderungen in der
Viskositt/Fliesseigenschaften, (kurze) Farbnderungen,
Fllungen (wann? Bedingungen? Phnomenologie),
Drucknderung / Gasentwicklung, Gerche, Sonderbares, etc.
Seltsame Peakformen
Induktionsphasen bei Reaktionen / Messungen
hnlichkeiten zu anderen, frher gemachten Beobachtungen oder
bekannten Phnomenen
Ist etwas schiefgelaufen? Wie hat sich das geussert? Gibt es
Erklrungen dafr?
Etc.
3. Spekulationen fr die Grnde der Beobachtungen (fr weitere, sptere
Abklrungen)
Resultate 1. Ausbeute, Massenbilanz, Charakterisierung
Tabellen erleichtern die bersicht
DC/UV/IR/NMR etc skizzieren oder/und Referenzen zu Files
2. Analysenresultat
3. Nherungsweise Berechnung der Zielgrsse vor der detaillierten
Statistik/Fehlerrechnung (vor dem Bericht/Paper)
Vergleich mit ber-den-Daumen-gepeilter Abschtzung/Erwartung
(kritischer Umgang mit Messwerten und Resultaten)
4. Fehlerquellen, Fehlmanipulationen, kritische Operationen
5. Kommentare, Vergleiche und Referenzen zu bekannter Literatur (eindeutig
Bezeichnen)
6. eventuell Zielvorgaben fr nchste Experimente (z.B.
Wiederholungsexperiment in anderem Lsungsmittel, anderes
Temperaturregime, Zugabenreihenfolge und/oder geschwindigkeit ndern...)
ALLGEMEINES
20
3.2 Schreiben der Berichte
Das Schreiben der Laborberichte ist ein wesentlicher Teil des Praktikums. Einerseits
soll dadurch das Verstndnis der durchgefhrten Versuche vertieft werden,
anderseits ist das Berichteschreiben eine wichtige Ttigkeit fr jeden
Forschungschemiker (Prsentation der Resultate). In diesem Praktikum wird deshalb
grosses Gewicht auf gut organisierte, verstndliche und vollstndige Berichte gelegt.
Da die Berichte vom/von dem/der Assistenten/in korrigiert werden, bilden sie auch
eine gute Mglichkeit, unbeantwortete Fragen anzuschneiden; dies ist eine der
wenigen Mglichkeiten der Studierenden, ein Feedback zu erhalten.
Fr eine Reihe an Versuchen sind nur Auswertebltter abzugegeben, um die Arbeit
der Studenten zu erleichtern. Sie haben aber den gleichen Zweck wie die Berichte.
Grundstzlich ist zu jedem Versuch ein Bericht bzw. Auswerteblatt zu schreiben. In
den Berichten soll das durchgefhrte Experiment ausfhrlich beschrieben und
diskutiert werden. Grundlage fr den Bericht ist vor allem das Laborjournal, in dem alle Teilschritte eines Experimentes notiert sind (Beobachtungen wie
Farbnderungen, Wrmeentwicklung etc. aber auch smtliche Wgungen und
Messungen). Als Hilfsmittel knnen auch die Praktikumsanleitung und Bcher
beigezogen werden. Wichtig ist aber, dass der Bericht das Experiment so beschreibt,
wie es vom/von der Studenten/in tatschlich durchgefhrt wurde, und nicht, wie es
htte durchgefhrt werden sollen!
Ein vollstndiger Bericht soll folgende Punkte enthalten:
Name des/der Studenten/in, Studienabteilung und -richtung
Datum
Versuchsnummer
Titel (Produktname, Bezeichnung der Methode etc.)
evtl. Literaturhinweise
Kurze Diskussion der angewandten Theorie resp. Diskussion der Synthese-
methode.
Smtliche Reaktionsgleichungen sind vollstndig aufzustellen. Bei
Redoxreaktionen sind die Oxidationszahlen zuzuordnen, die Halbzellenreaktionen
aufzustellen, Halbzellenpotentiale sind wenn mglich anzugeben.
ALLGEMEINES
21
Smtliche Mengen sollen angegeben werden. Besonders bei synthetischen
Versuchen sollen auch die jeweils eingesetzten Anzahl Mol Substanz vermerkt
werden. Reaktionsbedingungen (Temperatur, Reaktionszeit etc.) sind exakt
anzugeben. Die Herkunft und Reinheit der verwendeten Stoffe ist anzugeben,
ebenso deren Giftigkeit, Gefhrlichkeit etc.
Verwendete Apparaturen sollen vermerkt und evtl. skizziert werden.
Bei Synthesen ist eine genaue Beschreibung des Reaktionsablaufs
(Farbnderungen, Gasentwicklung, Erwrmung, Niederschlagsbildung etc.) und
die Ausbeute (Ausbeute = [Produkt] / [Edukt] . 100 %) anzugeben. Das Produkt
soll charakterisiert (Aussehen, Farbe, Schmelz- resp. Siedepunkt etc.) und mit
Literaturwerten verglichen werden. Die Molmassen sowohl der Edukte als auch
der Produkte sind anzugeben.
Bei Messungen ist eine Fehlerabschtzung durchzufhren.
Die Resultate und Erkenntnisse sind ausfhrlich zu diskutieren.
Sprachlich ist darauf zu achten, dass der Bericht im Imperfekt / Passiv gehalten ist. Im Anhang sind zwei Beispiele fr Berichte angegeben. Diese sollen nur als Hinweis
verstanden werden. Jeder Versuch verlangt eine dafr entsprechende Organisation
und Darstellung.
4. Praktikumsorganisation und Ordnung im Labor
4.1 Belegung der Laborpltze
Jede/r Student/in besitzt whrend des Praktikums einen eigenen Laborplatz. Dieser
kann mit einem/r Studenten/in eines anderen Praktikums welches zu einer anderen
Zeit stattfindet gemeinsam genutzt werden. Nach Praktikumschluss ist der Laborplatz
in guter Ordnung zu verlassen. Schmutziges Glas ist sauber abzuwaschen und im Laborplatz einzurumen. Zerbrochene Glaswaren sind sofort zu ersetzen.
4.2 Finanzielles
Das Chemiepraktikum ist nicht kostenlos. Fr die Durchfhrung des Praktikums wird den Studierenden nach Semesterende
von der zentralen Verwaltung des D-Chem eine Rechnung zugestellt, der die
folgenden Positionen zugrunde liegen:
ALLGEMEINES
22
1. Die Studenten haben fr die im Praktikum verbrauchten Chemikalien, sowie
fr zerbrochene Glasapparaturen und Messinstrumente aufzukommen.
(Neuanschaffungen von Gerten werden grundstzlich von der Schule
finanziert.) Die Abrechnung erfolgt aufgrund persnlicher Materialbezge am
Materialschalter HCI D 298 mit der Schalterkarte. (Dazu gehrt auch die
Materialbox (ca. Fr. 200,-))
2. Drucksachen (Praktikumsbuch, separate Versuchsanleitungen, Protokoll-
vordrucke, Informationsschriften)
3. Zudem existiert ein Saalkonto". Auf das Konto werden Materialien, die fr das
gesamte Praktikum bentigt werden, verrechnet. Nur die Assistenten knnen
Bezge machen, die auf das Konto verbucht werden. Die Kosten dieser
Materialien werden zu Semesterschluss gleichmssig auf alle Studenten
aufgeteilt.
4. Pauschalbetrag fr nicht personalisierbares Verbrauchsmaterial.
4.3 Ordnung im Labor
Jede/r Student/in ist fr seinen Laborplatz verantwortlich. Die Laborpltze sind jeden Abend aufgerumt zu verlassen.
4.4 Semesterende und -anfang
Das Praktikum beginnt jeweils in der ersten Semesterwoche. Aus
versicherungstechnischen Grnden mssen die Studenten eingeschrieben sein, damit sie im Labor arbeiten drfen.
Die Pltze sind am Ende des Praktikums aufgerumt und mit vollstndiger
Glasausrstung zu hinterlassen. Alle Schlssel und die Bezugskarte sind beim Schalter zu deponieren. Am Ende jedes Semesters wird ein Aufrumtag eingesetzt. Hier werden allgemeine Aufrumarbeiten durchgefhrt, die Teilnahme ist Pflicht um das Praktikum als bestanden absolviert zu haben.
5. Die Praktikumsanleitung Die Praktikumsanleitung ist in ihren VI Kapiteln in einen theoretischen und einen
experimentellen Teil geordnet. Der theoretische Teil soll die Grundlagen fr das
Verstndnis der durchzufhrenden Experimente vermitteln. Die Experimente
ALLGEMEINES
23
wiederum stellen nichts anders dar, als Beispiele zur Veranschaulichung von
grundlegenden chemischen Gesetzmssigkeiten. Es ist daher erforderlich den
theoretischen Teil aufmerksam durchzuarbeiten. Dies ist Voraussetzung fr die
erfolgreiche Durchfhrung der Versuche.
In der Praktikumsanleitung sind Links zu kleinen Filmen bzw. Bilderabfolgen zu
einigen Experimenten enthalten, die der Veranschaulichung und Vertiefung dienen.
Ebenfalls finden Sie Links zu erweiterten bungen und deren Lsungen zu den
einzelnen Stoffgebieten.
Diese Links lassen sich nur aus der Online-Version dieser Praktikumsanleitung
ffnen (URL: http://www.gruetzmacher.ethz.ch/education/labcourses). Die Links fr
Versuche liegen dabei immer auf dem Wort Experiment und die Links zu den
bungen auf bung und Lsung. Zum Abspielen der Filme bentigen Sie den Real-
One-Player, der im Internet frei verfgbar ist.
GRUNDOPERATIONEN
24
6. Grundoperationen: Wgen und Volumenmessungen
6.1 Wgen
Im Praktikumslaboratorium sind verschiedene Waagen aufgestellt: Je nach
Gesamtgewicht und gewnschter Genauigkeit muss die entsprechende Waage
ausgewhlt werden. Die Verwendung der verschiedenen Waagen erfolgt nach einer
Einfhrung durch den/die Assistenten/in. Besonders ist darauf zu achten, dass die
Waagen nach Gebrauch SAUBER zurckgelassen werden. Aggressive Substanzen drfen grundstzlich nur in geschlossenen Gefssen gewogen werden (Gefss
vorher tarieren).
6.2 Volumenmessungen
- Messzylinder :
- Messpipette :
- Messkolben :
- Vollpipette :
- Brette :
Auf In" geeicht. Genauigkeit 3 %
Auf Ex" geeicht. Genauigkeit 0.5 - 1.5 %
Auf In" geeicht. Verwendung: Zubereitung von
Stammlsungen. Genauigkeit 0.1 - 0.2 %
Auf Ex" geeicht. Verwendung: Zugabe einer genau
bestimmten Flssigkeitsmenge. Genauigkeit: je nach
Grsse 0.1 - 0.6 %
Bretten werden verwendet, wenn die Menge
abzumessender Reagenzlsung nicht im Voraus genau
bekannt ist (Dosiergefss). Die zu entnehmende
Flssigkeitsmenge soll so gewhlt werden, dass der
Messfehler 0.5 % nicht bersteig
Auf In geeichte Volumenmessgerte beziehen das zu messende Volumen auf den
gesamten Inhalt des Volumens. Die auf Ex geeichten Volumenmessgerte
beziehen das zu messende Volumen auf das Volumen, welches diesem Gert
entnommen wird ohne zustzliche Hilfsmittel (z.B. Ausblasen) als die Schwerkraft.
Beispiel: Die Ablesbarkeit einer 50 ml Brette betrgt 0.1 ml.
Die Abweichung darf nicht mehr als 0.5 % der Gesamtzugabe betragen. Es mssen
also mindestens 20 ml Lsung entnommen werden, damit der Fehler kleiner wird als
0.5 %.
GRUNDOPERATIONEN
25
6.3 Ablesen und Handhabung
Wenn eine Flssigkeit in ein
Messgefss gebracht wird, so bildet
sich wegen der Oberflchenspannung
ein so genannter Meniskus. Es soll so
abgelesen werden, dass beim
konkaven Meniskus an der tiefsten und
beim konvexen Meniskus an der
hchsten Stelle abgelesen wird.
Um Parallaxen- und Schrghaltefehler
zu vermeiden, muss immer auf
Augenhhe abgelesen werden, das
Gefss soll senkrecht gehalten
werden.
Bei auf Ex" geeichten Pipetten soll bei der Zugabe wie folgt vorgegangen werden
richtig
falsch
falsch
konkav konvex
Fehler
GRUNDOPERATIONEN
26
6.4 Welche Genauigkeit ist bei Einwaagen erforderlich?
Viele Analysen gelingen nur dann optimal, wenn die zu untersuchende Probemenge
in einem bestimmten Konzentrationsbereich vorliegt. In der Praxis sieht das etwa so
aus:
ca. x g Probemenge sollen genau eingewogen und auf x ml verdnnt werden. Es ist nicht erforderlich, exakt x g einzuwiegen. Es mssen nur ungefhr x g sein, es
soll aber genau notiert werden, wie viel g exakt eingewogen wurden und daraus ist
dann die exakte Konzentration zu ermitteln.
Anderseits sollen hufig bestimmte Reaktionsbedingungen, unter denen die
Analysen aber auch Reaktionen ablaufen, eingestellt werden. Meistens sind das
bestimmte pH - Bereiche. Dann werden zum Beispiel Angaben gemacht wie:
Suern sie mit einer 0,1 molaren HCl - Lsung an. In solchen Fllen ist es nicht erforderlich eine exakt 0,1 molare HCl Lsung zu
verwenden. Zur Anfertigung derartiger Lsungen gengt die Genauigkeit eines
Becherglases.
Beim Umgang mit Waagen ist auf deren maximale Belastung zu achten.
45
Die volle Pipette wird senkrecht an die
Wand des Auffanggefsses gehalten, so
dass der Winkel zwischen Pipette und
Gefsswand 45 betrgt. (Die
Pipettenspitze muss die Gefsswand
berhren!) Nachdem die Flssigkeit
ausgelaufen ist, zieht man die Pipette der
Gefsswand entlang hoch. (Bei AS-
Gefssen muss die angegebene Wartezeit
eingehalten werden.). Die Pipette darf nie ausgeblasen werden!
GRUNDOPERATIONEN
27
7. Experimente
Versuch I.1: Glaswaren zur Volumenmessung
In diesem Versuch soll die Genauigkeit verschiedener Glaswaren miteinander
verglichen werden:
Becherglas, Erlenmeyer, Messzylinder, Messkolben, Vollpipette
Zur Verfgung stehen:
- 200 ml Becherglas
- 200 ml Erlenmeyerkolben
- 100 ml Messzylinder
- 100 ml, 50 ml Messkolben
- 25 ml, 10 ml Vollpipette
Es soll jeweils ein Messgefss mit Wasser bis zur 100 ml - Markierung (beim 50 ml
Messkolben bis zur 50 ml - Markierung) aufgefllt werden. Das Wasser wird dann in
ein anderes Gefss transferiert. Ist das Volumen das Gleiche? War zu wenig oder zu
viel Wasser drin? Wie viel Wasser ist im zweiten Gefss? Teste so die Genauigkeit
der Glaswaren untereinander. Das Vorgehen soll im Laborjournal genau festgehalten
werden.
Versuch I.2: Wgen definierter Volumina Durch Wgen soll die Genauigkeit einiger Messgefsse berprft werden.
Becherglas, Messkolben, Messzylinder, Messpipette, Vollpipette
Vorbereitung: Folgende Gefsse sollen tariert werden:
- 250 ml Becherglas
- 100 ml Messkolben
- 100 ml Messzylinder
Becherglas und Messkolben sollen je bis zur 100 ml Marke, der Messzylinder bis zur
50 ml Marke mit Wasser gefllt werden. Die vollen Gefsse sollen anschliessend
gewogen werden. Wie genau sind die Resultate (Fehlerangabe in %)?
Entleere eine der Vollpipetten und die Messpipette (letztere muss nicht ganz gefllt
sein) in je ein beliebiges tariertes Gefss. Stimmen die Resultate der Wgeversuche
mit den Erwartungen berein? Beachten Sie die genaue Dichte von Wasser bei
25C.
GRUNDOPERATIONEN
28
Versuch I.3: Bestimmung der Dichte von Ethanol
Die Dichte von Ethanol soll durch Wgen bestimmter Volumina bestimmt werden.
Verwende dafr zwei verschiedene Gefsse und wiederhole jede Messung 3-mal.
Gib fr beide Gefsse die Mittelwerte und die Streuungen an. Fhre eine
Fehlerrechnung durch (vgl. Anhang! Die experimentell ermittelte Streuung soll mit
dem theoretischen Fehler verglichen werden).
Stimmen die ermittelten Daten mit der Literatur berein (Handbook of Chem. & Phys.
Seite D-227)
.
SURE-BASE-REAKTION
29
II SURE - BASE REAKTION
1. Einfhrung
Sure-Base-Reaktionen sind fundamentale Reaktionen, die berall im Gebiet der
Chemie angetroffen werden. Viele chemische Reaktionen verlaufen in basischem
oder saurem Milieu unterschiedlich. In der Biologie sind Sure-Base-Gleichgewichte
ebenfalls von entscheidender Bedeutung. So muss der pH-Wert innerhalb einer Zelle
oder eines Organells sehr genau kontrolliert werden. (Mit Hilfe von Puffersystemen
wird die Protonenkonzentration konstant gehalten.) Bei der Photosynthese spielen
Unterschiede in der Protonenkonzentration zwischen den beiden Seiten von
Membranen eine wichtige Rolle. In diesem Kapitel soll ein breites Spektrum von
Sure-Base-Reaktionen behandelt werden:
phnomenologische Beobachtung bei der Reaktion von verschiedenen
Substanzen, die als Suren oder Basen mit Wasser reagieren knnen
die Sure-Base-Titration als analytisches Hilfsmittel
Sure-Base-Reaktionen sind aber nicht nur als chemische Reaktionen an sich sehr
wichtig. Sie bieten auch die Mglichkeit, einige fundamentale chemische Prinzipien
(Gleichgewichte, Titrationen, Puffer) kennen zu lernen. Deren mathematische
Behandlung soll ebenfalls hier eingefhrt werden.
SURE-BASE-REAKTION
30
2. Theorie: Brnsted-Suren und -Basen
2.1 Definitionen nach Brnsted ([1] 264, [2] 235, [3] 357, [4] 477)
Brnsted hat folgende Definitionen gemacht:
Suren sind Verbindungen, die Protonen abgeben, Basen hingegen nehmen Protonen auf:
HA A- + H+
Sure konjugierte Base H+ + B HB+
Base konjugierte
Sure
HA + B A- + HB+
Sure Base konjugierte konjugierte Base Sure
Eine allgemeinere Definition wird spter gegeben (siehe Lewis-Sure-Base
Konzept).
In ternetvers ion: Ein Beispiel einer Sure-Base Reaktion kann hier als Experiment am Beispiel der
Reaktion von Ammoniak mit Chlorwasserstoff beobachtet werden.
2.2 Sure-Base-Gleichgewichte
2.2.1 Allgemeines
Sure-Base-Reaktionen treten immer gekoppelt auf und sind meist reversibel, das
heisst, sowohl Hin- als auch Rckreaktion knnen ablaufen:
HA + B A- + HB+ (Hinreaktion)
A- + HB+ HA + B (Rckreaktion)
Nehmen wir an, wir vermischen HA und B in einem Behlter. Sie reagieren und
bilden A- und HB+. In dem Mae, wie die Hinreaktion abluft, werden sich die
SURE-BASE-REAKTION
31
Konzentrationen von HA und von B verringern und dementsprechend wird die
Reaktionsgeschwindigkeit abnehmen. Zu Beginn des Versuchs kann die
Rckreaktion nicht stattfinden, da noch kein A- und HB+ vorhanden ist. In dem Mae,
wie whrend der Hinreaktion A- und HB+ gebildet wird, setzt die Rckreaktion ein; sie
verluft anfangs langsam, da die Konzentration von A- und HB+ noch klein ist, und
wird dann allmhlich schneller.
Nach einiger Zeit hat die Geschwindigkeit der Hinreaktion soweit abgenommen und
die der Rckreaktion soweit zugenommen, dass beide gleich schnell verlaufen. Zu
diesem Zeitpunkt (tG) hat sich das chemische Gleichgewicht eingestellt: Zwei entgegengesetzte Vorgnge laufen gleich schnell ab.
Im Gleichgewichtszustand bleiben die Konzentrationen (mol/Liter) aller beteiligten
Substanzen konstant. Die Konzentrationen von A- und HB+ bleiben konstant, weil sie
durch die Hinreaktion genauso schnell gebildet werden, wie sie durch die
Rckreaktion wieder verbraucht werden; entsprechendes gilt fr HA und B. Es
handelt sich um ein dynamisches Gleichgewicht. Nach wie vor wird stndig A- und
HB+ gebildet und verbraucht. Die Konstanz der Konzentrationen, bedeutet nicht,
dass die Einzelprozesse zum Stillstand gekommen sind.
Wenn sich also nach einer gewissen Zeit ein Gleichgewicht eingestellt hat, stehen
die Konzentrationen der beteiligten Stoffe in einem mathematischen Verhltnis
zueinander. Teilt man die Konzentrationen der Produkte durch die Konzentrationen
der Edukte, kommt, bei gleichen Reaktionen, die gleiche Verhltniszahl
(Gleichgewichtskonstante Kc) heraus (auch bei unterschiedlichen Konzentrationen
c(A-) oder c(HB+)
c(HA) oder c(B)
c (mol/l)
Reaktionszeit t (s) tG
SURE-BASE-REAKTION
32
der beteiligten Ausgangsstoffe). Fr eine genaue Betrachtung der
Gleichgewichtsverhltnisse wird allerdings nicht die Konzentration einer Spezies
verwendet, sondern die effektiv an einer chemischen Reaktion teilnehmende
Konzentration (oder die effektive Wirkung einer Spezies), die kurz Aktivitt a genannt wird, verwendet.
Fr unsere Reaktion gilt zurzeit tG:
HA + B A- + HB+
Im Gleichgewichtszustand ist die Geschwindigkeit der Hinreaktion gleich der
Geschwindigkeit der Rckreaktion.
k1aHA aB = k-1aA-aHB+
- +1 A HB
-1 HA B
a a = K =
a akk
k1 und k-1 bezeichnen dabei die Geschwindigkeitskonstanten. Bei von 1
verschiedenen Stchiometriezahlen sind diese als Exponenten der jeweiligen
Aktivitt zu bercksichtigen. Dieser Zusammenhang wird als
Massenwirkungsgesetz bezeichnet wobei K die Gleichgewichtskonstante ist. Mathematisch gilt fr die Aktivitt a
aB = B B0cc
Dabei ist aB die Aktivitt der Spezies B (bertragen gesehen, die tatschlich
wirksame Konzentration), cB die Stoffmengenkonzentration der Spezies B, und c0 die
Standardstoffmengenkonzentration. B ist ein dimensionsloser Korrekturfaktor. ist
sehr stark von der Konzentration abhngig. Fr 1 molare Essigsure ist Essigsure
beispielsweise 0.8, fr 0.1 molare Essigsure jedoch bereits 0.96. Die
Standardstoffmengenkonzentration c0 hat die Grsse 1 moldm-3 und macht den
Quotienten cB/c0 dimensionslos und damit auch die Aktivitt. c0 ist die Bezugsgrsse
der Aktivitt. Sind alle am Massenwirkungsgesetz beteiligten Grssen dimensionslos,
so ist auch die Gleichgewichtskonstante K dimensionslos. (Die Aktivitt von reinen
Flssigkeiten und reinen Festkrpern haben bei Standarddruck p0 (1bar) die Grsse
1. Grssen, die sich auf reine Stoffe beziehen werden durch einen Stern (*)
gekennzeichnet a *B (p0) = 1)
SURE-BASE-REAKTION
33
In dieser Praktikumsanleitung wird zur Vereinfachung angenommen, dass ideale
Lsungen vorliegen (vertretbar bei Lsungen kleiner Ionenstrke, was hufig fr
verdnnte Lsungen gilt) und damit der Aktivittskoeffizient = 1 ist. Dabei muss es
uns bewusst sein, dass wir einen kleinen Fehler machen (siehe Beispielrechnung
III.1). Eine eckige Klammer [ ] steht fr den Ausdruck xyz0cc
und ist praktisch die
dimensionslose Konzentration einer Spezies.
Damit erhalten wir die folgende vereinfachte Gleichung fr die Gleichgewichts-
konstante.
1-
1k
k = K =
- +[A ] [HB ][HA] [B]
Bei von 1 verschiedenen Stchiometriezahlen sind diese als Exponenten der
jeweiligen Konzentrationen zu bercksichtigen
2.2.2 Gleichgewichte mit Wasser
Eine spezielle Stellung nehmen die Reaktionen von Suren und Basen mit Wasser
ein:
HA + H2O A- + H3O
+
B + H2O HB+ + OH-
Hier sieht man, dass Wasser sowohl als Sure als auch als Base reagieren kann.
Wasser wird daher als amphiprotische (oder amphotere) Substanz (Ampholyt) bezeichnet.
Betrachten wir die Dissoziation einer Sure in Wasser (hier dient Wasser als Base):
HA + H2O A- + H3O
+
Mit dem Massenwirkungsgesetz kann die Gleichgewichtskonstante K definiert werden:
SURE-BASE-REAKTION
34
[ ] [ ][ ] [ ]
KA H O
HA H O' =
+
3
2
Hier kann die Konzentration von Wasser als konstant angenommen werden. Man
kann daher eine neue Konstante KS definieren:
[ ][ ] [ ]
[ ]K K H O
A H O
HAS= =
+'
23
(Ungenaue) Werte der Surekonstanten KS fr einige Suren findet man in [1] 280,
285, gute Werte sind in [5] angegeben (vgl. auch [2] 241, [4] 479).
Bei der Dissoziation einer Base in Wasser ist folgendes Gleichgewicht relevant:
B + H2O HB+ + OH-
Fr dieses Gleichgewicht definiert man nun Kb als
[ ] [ ][ ]
KHB OH
Bb=
+
Beachte, dass hier ebenfalls von der Tatsache Gebrauch gemacht wurde, dass die
Konzentration von H2O als konstant angenommen und in die
Gleichgewichtskonstante aufgenommen werden kann!
Suren knnen mit Hilfe ihres pK-Wertes (p ist ein Operator und steht hier fr -log,
siehe Seite 36) nach ihrer Strke klassifiziert werden:
Starke Suren liegen in wssriger Lsung stark (vollstndig) dissoziiert vor. Sie
haben einen pKS < 0 (z.B. HCl mit pKS = -7.0).
Schwache Suren liegen in wssriger Lsung nur schwach (unvollstndig)
dissoziiert vor. Sie haben einen pKS > 0 (z.B. Essigsure mit pKS = 4.75).
KS ist folglich ein Mass fr die Lage des Dissoziationsgleichgewichtes einer Sure
und damit fr die Strke der Sure. Je grsser der Wert von KS, umso strker
dissoziiert eine Sure in Wasser.
SURE-BASE-REAKTION
35
Bei Basen wird entweder der pKS-Wert der konjugierten Sure oder aber der pKb-
Wert (Kb: Basenkonstante) tabelliert.
In ternetvers ion: Ein Beispiel einer Reaktion einer Base mit Wasser kann hier als Experiment am
Beispiel des Ammoniak-Springbrunnens beobachtet werden.
2.2.3 Das Ionenprodukt des Wassers
Ein weiterer Spezialfall ist die Autoprotolyse des Wassers. Wasser dissoziiert in
geringem Masse zu H3O+ und OH-.
H2O + H2O H3O+ + OH- (Autoprotolyse)
H3O+ + OH- 2 H2O (Neutralisation)
Die zu Wasser konjugierte Sure H3O+ wird Hydronium-lon genannt (andere
Schreibweisen: H+,H aq( )+ ). Die zu Wasser konjugierte Base OH- heisst Hydroxid-lon.
Mit dem Massenwirkungsgesetz kann aus dem Gleichgewicht
2 H2O H3O+ + OH-
die Gleichgewichtskonstante K berechnet werden:
[ ] [ ][ ]
KH O OH
H O' =
+ 3
22
Die Konzentration von Wasser kann hier wie auch in verdnnten Lsungen als
konstant angenommen werden. Man kann daher eine neue Konstante KW definieren:
[ ] [ ] [ ]K K H O H O OHW = = + ' 2 2 3
Die obenstehende Gleichung ist das Ionenprodukt des Wassers. KW ist genau
gemessen worden. Der Wert betrgt (bei 25C und einer lonenstrke von 0):
KW = 10-14
SURE-BASE-REAKTION
36
2.3 Der pH-Wert ([1] 275, [2] 243, [3] 361)
Zur Beschreibung der Protonenkonzentration einer wssrigen Lsung verwendet
man im Allgemeinen den pH-Wert. Dieser ist definiert als
+3pH=-log H O
Das heisst, eine 0.01 molare Lsung von H3O+ ([H3O
+] = 0.01 = 0.01) hat einen pH-
Wert von
pH = - log 0.01 = - log 10-2 = 2.00
Beachte, dass in dieser Berechnung die Konzentration in der Einheit molar (M =
mol/l) angegeben werden muss, das heisst, in mol H3O+ pro Liter Lsung.
Der pH-Wert ist nicht nur ein geeignetes Hilfsmittel zur mathematischen Behandlung
von Sure-Base-Gleichgewichten, er ist zudem auch direkt messbar (zum Beispiel
mit Hilfe einer Glaselektrode oder einer Wasserstoffelektrode ([1] 337).
Die Abkrzung p fr - log verwendet man auch bei:
pOH = - log [OH-]
pK = - log K
pKW = - log KW = - log ([H3O+] [OH-])
pKW = - log [H3O+] - log [OH-] = pH + pOH
pKW = - log (10-14) = 14
Lsungen knnen mit Hilfe des pH-Wertes klassifiziert werden:
Neutrale Lsungen: pH = 7, [H+] = 10-7
Saure Lsungen: pH < 7, [H+] > 10-7 M, z.B. 10-3
Basische Lsung: pH > 7, [H+] < 10-7 M, z.B. 10-9
Im Speziellen werden meist die Werte der Surekonstanten KS als pK - Werte
tabelliert: pK = pKS = -log KS
SURE-BASE-REAKTION
37
[ ][ ][ ]
[ ][ ] [ ]pK K
A H OHA
AHA
H OS= = = +
+log log log log3 3
[ ][ ]pK pHAHA
=
log
[ ][ ]pH pKAHA
= +
log
Somit kann mit Hilfe des pK-Wertes und dem Konzentrationsverhltnis von A- und
HA der pH-Wert einer Lsung berechnet werden. Die letzte Gleichung ist bekannt als
Puffergleichung (Henderson-Hasselbalch-Gleichung, vgl. Seite 42).
Speziell gilt
KbKS = [ ]
+ -HB OH
B
[ ] 3B H O
HB
+
+
= [OH-] [H3O+] = KW
wobei KS die Surekonstante der zur Base B konjugierten Sure HB+ ist. Es gilt also
( )-b 3 WSpK pK -log OH H O pK+ + = = Beachte, dass in Mortimer [1] in Tabelle 17.3 (Seite 380) fr die schwachen Suren
der pKS-Wert, fr die schwachen Basen aber der pKb-Wert angegeben ist!
2.4 Mehrprotonige Suren ([1] 284)
Mehrprotonige Suren sind Suren, die mehrere Protonen abgeben knnen. Im
Allgemeinen ist dies ein Prozess, der ber Stufen abluft, wobei jeweils ein Proton
abgegeben wird. Betrachte eine zweiprotonige Sure H2A. Die
Deprotonierungsgleichgewichte knnen dann wie folgt beschrieben werden:
H2A + H2O HA- + H3O
+
HA- + H2O A2- + H3O
+
Mit den zugehrigen Gleichgewichtskonstanten
SURE-BASE-REAKTION
38
K1 = [ ][ ]
[ ]H HA
H A
+
2
und damit pK1
K2 = [ ][ ]
[ ]H A
HA
+
2
und damit pK2
2.5 Farbstoffsuren als pH-Indikatoren ([1] 281, [2] 198, [3] 388, [4] 475, [6])
Als pH-Indikatoren knnen organische Farbstoffe verwendet werden, die je nach pH-
Wert der Lsung eine andere Farbe haben. Diese Farbstoffe sind selber Suren und
ndern ihre Farbe, wenn sie ein Proton aufnehmen bzw. eines abgeben. (Die pK-
Werte und Farben einiger pH-Indikatoren findet man im Anhang. Vgl. auch [6] fr
eine detaillierte Diskussion.)
Als Beispiel fr einen pH-Indikator sei hier die Farbstoffsure Methylrot angefhrt.
N
N
O
H
N
O
N
N
O
N
O
-
Es kann folgendes Gleichgewicht formuliert werden, wobei Ind fr Indikator steht:
HInd H+ + Ind-
Um den pH-Wert einer Lsung mit Hilfe eines Indikators abzuschtzen, fgt man der
Lsung eine mglichst kleine Menge des Indikators zu und beurteilt dann den pH-
Wert aufgrund einer Farbskala. Entscheidend bei der Verwendung eines
Farbindikators ist, dass man nur sehr geringe Mengen desselben einsetzt. Nur dann
kann man nmlich davon ausgehen, dass die Protonenkonzentration der zu
untersuchenden Lsung nicht verndert wird.
Der pK-Wert des Indikators (pKHInd) sei bekannt:
[ ][ ][ ]K
H IndHIndHInd
=+
oder
+ H+
Rot Gelb
SURE-BASE-REAKTION
39
pK IndHIndHInd
=
log ] log [ ][ ]
[H+
pH pK IndHIndHInd
= +
log [ ][ ]
Sind nun Ind- und HInd unterschiedlich gefrbt, so kann man direkt an der Farbe der
Lsung erkennen, ob der pH-Wert der Lsung grsser oder kleiner als pKHInd ist.
Man kann davon ausgehen, dass das Auge eine Mischfarbe nicht mehr wahrnimmt,
wenn das Verhltnis der beiden Konzentrationen [Ind-]/[HInd] grsser als 100:1 (bzw.
kleiner als 1:100) ist. Das heisst, dass man maximal ber 4 pH-Einheiten eine
Farbnderung sieht. Der Farbumschlag des Indikators liegt also im Bereich
pH = pKHInd 2
Indikatoren sollten deshalb so gewhlt werden, dass der quivalenzpunkt einer
Sure-Base-Titration im Umschlagsbereich des Indikators liegt.
In ternetvers ion: Beispiele von Farbreaktionen von pH-Indikatoren knnen hier als Experiment
beobachtet werden.
2.6 Bestimmung des quivalenzpunktes
Bei einer Titration einer Sure mit einer Base kann man mit Hilfe eines pH-Meters
(potentiometrisch) die nderung des pH-Wertes in Abhngigkeit vom zugesetzten
Volumen der Base messen. bertrgt man die Messwerte auf Millimeterpapier erhlt
man eine Titrationskurve die wie folgt aussehen kann:
14
7
1
basisch
neutral
pH
Volumen Base/ml
quivalenzpunkt
sauer
SURE-BASE-REAKTION
40
Besonders auffllig an der abgebildeten Titrationskurve ist der mittlere Bereich, in
welchem pltzlich ein steiler Anstieg erfolgt. Man nennt den zu dieser Stelle
gehrenden Punkt einer Titrationskurve auch den quivalenzpunkt. Dieser entspricht
nur bei der Titration einer starken Sure mit einer starken Base dem
Neutralisationspunkt. Der Verlauf einer Titrationskurve hngt jedoch stark von der
jeweiligen Sure bzw. Lauge ab. Titriert man eine schwache Sure z. B. Essigsure
mit einer starken Base wie z.B. Natronlauge, so zeigt die Kurve einen anderen
Verlauf. quivalenzpunkt und Neutralisationspunkt fallen dann nicht mehr
zusammen. Da bei einer Sure-Base-Titration die Konzentration der Sure (oder der
Lauge) in der Regel nicht bekannt ist, besteht die eigentliche Aufgabe in der
Bestimmung der Lage des quivalenzpunktes. Die Auswertung hinsichtlich des
quivalenzpunktes ist auf verschiedene Weise mglich. Der quivalenzpunkt ist
charakterisiert durch den Wendepunkt der Kurve. Dieser lsst sich durch die grsste
Steigung (erste Ableitung) wie durch die so genannte Tangentenmethode ermitteln.
Am verbreitetsten ist die graphische Methode, wobei man den Anstieg der beiden
Kurvenste einzeichnet und den Schnittpunkt der Winkelhalbierenden mit dem
steilen Kurvenabschnitt nutzt.
Benutzt man zur Ermittlung des quivalenzpunktes einen Indikator, so muss dessen
Umschlagsbereich (Farbnderung HInd Ind-) im Bereich des steilen Anstiegs
der Titrationskurve liegen.
Da folgendes gilt: -
S[A ]
pH = pK + log[HA]
und
log-[A ]
= 0[HA]
wenn [A-] = [HA]
erhlt man fr schwache Suren (pKS > 0) den pKS- Wert durch pH = pKs
SURE-BASE-REAKTION
41
aus der Titrationskurve. Man ermittelt den Punkt an dem die Konzentrationen der
Sure gleich der, der konjugierten Base ist, was beim halben Verbrauch an Base der
Fall ist.
2.7 Pufferlsungen ([1] 282, [2] 198, [3] 388, [4] 516)
Als Puffer bezeichnet man eine wssrige Lsung, die sowohl eine schwache Sure,
als auch deren konjugierte Base in vergleichbaren Konzentrationen enthlt. Ein
solches Gemisch puffert einen pH-Bereich, d.h. der pH-Wert ndert sich kaum,
wenn geringe Mengen einer Sure oder Base zugegeben werden.
Betrachten wir eine Pufferlsung, die aus einer schwachen Sure HA und ihrer
konjugierten Base A- hergestellt wurde:
HA + H2O A- + H3O
+
Wird nun wenig Sure zugegeben, so reagieren die Protonen mit A- zu HA. Bei der
Zugabe von OH- entsteht mit HA A- und H2O.
Eine Pufferlsung, also eine Lsung mit einem bestimmten pH-Wert, der bei Zugabe
von geringen Mengen an Sure oder Base nahezu konstant bleibt, besteht sowohl
aus der Sure HA als auch ihrer konjugierte Base A- (z.B. als Salz M+A-).
Da HA eine schwache Sure ist, gilt fr Pufferlsungen die Annahme, dass die
eingesetzten Menge [HA]0 und [A-]0 gleich den Konzentrationen in Lsung [ ] sind,
d.h.:
[HA]0 = [HA] und [A-]0 = [A
-]
Es ergibt sich also mit dem Massenwirkungsgesetz folgende Konstante KS:
[ ] [ ][ ]
KH O A
HAS=
+ 3 0
0
oder
[ ] [ ][ ]H O KHAAS3
0
0
+
=
SURE-BASE-REAKTION
42
und logarithmiert
[ ][ ]
pH pKAHA
= +
log 00
Diese Gleichung nennt man Puffergleichung oder Henderson-Hasselbalch-Gleichung. Sie entspricht derjenigen am Ende von Abschnitt 2.3, Seite 37. Beachte aber, dass hier anstelle der Gleichgewichtskonzentrationen ([ ]) die analytischen
Konzentrationen ([ ]0, vgl. II.3. Rechenbeispiele) eingesetzt werden! In diesem
speziellen Fall ist es also mglich, auf sehr einfache Weise den pH-Wert einer
Lsung zu berechnen. Setzt man zu einer Lsung einer Sure und der zugehrigen
konjugierte Base nun Protonen oder OH--Ionen zu, so beeinflusst man den pH-Wert
nach folgender Gleichung.
Will man den pH-Wert einer Pufferlsung in einem bestimmten pH-Bereich konstant
halten, so kann man mit Hilfe dieser Gleichung die maximale Konzentration der
Strungen berechnen, die diese haben drfen um den pH-Wert nicht ber diesen
Bereich zu verschieben. Die Konzentration an H3O+- bzw. OH--Ionen die einem Puffer
zugesetzt werden knnen ohne das sich der pH-Wert ber die angegebenen Grenzen
verndert wird Pufferkapazitt genannt.
Betrachten wir dazu ein Beispiel:
Eine Acetat-Pufferlsung mit dem pH-Wert von 4,57 soll den pH-Wert auf 1 konstant
halten. Wie viel Sure [H3O+] kann maximal zugegeben werden?
Durch Einsetzen von bekannten Grssen in die Henderson-Hasselbalch-Gleichung
erhlt man.
pKEssigsure = 4,75
-[A ]04,57 = 4,75 + log[HA]0
-0,18 = log[ ]
-[A ]0HA 0
[ ]
-[A ]0HA 0
= 0,66
Haben wir z.B. eine Essigsure der Konzentration c0 Essigsure = 0,132mol/l verwendet
so muss bei diesem Puffer die Acetatkonzentration c0 acetat = 0,087 mol/l betragen. Der pH -
Zugabe von Sure (Strung)
SURE-BASE-REAKTION
43
Wert soll maximal um eine Einheit schwanken.
pH = 4,57 1
Berechnen wir die Pufferkapazitt bei einer pH Erniedrigung um 1 (pH-1).
pH`= 4,57 - 1 = 3,57
-0
0
[A ] - xpH = pK + log
[HA] + x
x entspricht [H3O+] (die aufgenommen werden knnen)
-[A ] - x03,57 = 4,75 + log[HA] + x0
-[A ] - x0-1,18 = log[HA] + x0
-1,18-[A ] - x010 = = 0,066
[HA] + x0
0,066 [HA]0 + 0,066x = [A-]0 x
1,066x = [A-]0 0,066[HA]0
Fr unseren Puffer mit: [HA]0 = 0,132 und [A-]0 = 0,087 ist x = 0,0734.
Geben wir zu 1L einer Pufferlsung mit einer Essigsurekonzentration von 0,132mol/l
und Acetatkonzentration von 0,087 mol/l 0,073 mol HCl so ndert sich der pH-Wert um
1 von 4,57 auf 3,57.
Gibt man im Vergleich 0,073 mol HCl in 1l H2O so erhlt man eine Lsung mit einem
pH-Wert von 1,13.
0,073 mol HCl in 1l Puffer pH = 3,57 pH = 1
0,073 mol HCl in 1l H2O pH = 1,13 pH = 5,87
In ternetvers ion: Das Pufferverhalten eines Acetatpuffers kann hier in einem Experiment
beobachtet werden.
2.8 Spektrophotometrie: Lambert-Beersches Gesetz ([1] 54, [4] 596) (zur Information ohne Experiment)
Farbige Verbindungen absorbieren das sichtbare Licht. Farben kommen dadurch
zustande, dass nur ein bestimmter Bereich von Frequenzen durch die Verbindung
SURE-BASE-REAKTION
44
absorbiert wird. (Beachte: Das Auge sieht das Licht, welches nicht absorbiert wird!
Eine Verbindung, die rotes Licht absorbiert, erscheint dem Auge grn etc.,
Komplementrfarben!) Ein Spektrophotometer ist in der Lage zu bestimmen, welcher
Anteil des Lichtes bei einer bestimmten Wellenlnge absorbiert wird. Die
Spektrophotometrie ist auch ein geeignetes Hilfsmittel zur Untersuchung von
Farbstoffsuren.
Gewhnliches Licht (weisses Licht, z. B. Sonnenlicht) setzt sich zusammen aus
Licht verschiedener Wellenlngen. Weisses Licht kann mit einem Prisma in seine
Komponenten zerlegt werden (Regenbogenfarben!). Die Farbempfindlichkeit des
menschlichen Auges ist auf einen relativ engen Bereich des elektromagnetischen
Spektrums beschrnkt, nmlich auf den Wellenlngen-Bereich zwischen ca. 400 bis
800 nm (1 nm = 10-9 m). Die Bezeichnungen der anschliessenden kurz- und
langwelligen Bereiche orientieren sich an den Grenzbereichen des sichtbaren Lichts
(violett, resp. rot). Licht mit einer Wellenlnge krzer als 400 nm nennt man
ULTRAVIOLETT, solches mit einer Wellenlnge grsser als 800 nm INFRAROT.
Absorbiertes Licht Beobachtete Farbe Wellenlnge l (nm) entsprechende Farbe Komplementrfarbe
400 ultraviolett farblos
400 violett grnlich-gelb
425 indigoblau gelb
450 blau orange
490 blaugrn rot
510 grn purpur
530 gelb-grn violett
550 gelb indigoblau
590 orange blau
640 rot blaugrn
730 purpur grn
800 infrarot farblos
Lichtenergie wird in Quanten emittiert und absorbiert. Fr die Energie dieser
Lichtquanten (Photonen) gilt folgende Beziehung:
SURE-BASE-REAKTION
45
E = h
E : Photonenenergie
h : Planck'sches Wirkungsquantum
: Frequenz
Die Kombination dieser Beziehung mit dem Ausdruck fr die Lichtgeschwindigkeit
c = .
c : Lichtgeschwindigkeit
: Wellenlnge
: Frequenz
liefert folgende Beziehung fr die Energie:
Eh c
=
Wenn monochromatisches Licht (Licht, das nur aus einer Wellenlnge besteht) von
einer Substanz absorbiert wird, so gilt das Lambert-Beer'sche Gesetz:
== l0log cDI
I
D : Optische Dichte (Absorption oder Extinktion, dimensionslos)
l0 : Intensitt des einfallenden Lichtes
I : Intensitt des austretenden Lichtes
l : Schichtdicke, die das Licht in der absorbierenden Substanz zurcklegt [cm]
: molarer Extinktionskoeffizient [M-1cm-1]
c : Konzentration (Molaritt) des absorbierenden Teilchens [M]
Die Lichtabsorption ist eine fr eine Substanz charakteristische Eigenschaft.
Speziell ist dabei aussagekrftig, welche Farben wie stark absorbiert werden. Aus
diesen Absorptionen knnen Rckschlsse auf die Elektronenstruktur einer
Verbindung gezogen werden, da bei der Lichtabsorption die Valenzelektronen einer
Verbindung angeregt (d. h. in einen hheren, energetisch weniger gnstigen
Zustand versetzt) werden. Die Absorption als Funktion der Wellenlnge nennt man
das Spektrum einer Verbindung.
Das Beer'sche Gesetz ist eine quantitative Beziehung zwischen der Lichtabsorption und der Konzentration der absorbierenden Substanz: